基于實際工程的錨索預(yù)應(yīng)力損失影響因素探討

何 飛，穆 銳

(1.貴州中建建筑科研設(shè)計院有限公司，貴陽 550006； 2.陸軍勤務(wù)學院 軍事設(shè)施系，重慶 401311)

0 引 言

隨著建筑深基坑、公路等建設(shè)的不斷發(fā)展, 邊坡的加固已成為關(guān)鍵，各種不良地質(zhì)條件、高陡邊坡的出現(xiàn)，使預(yù)應(yīng)力錨索穩(wěn)定狀態(tài)在加固工作中占有十分重要的地位。例如，對于永久性錨索而言,其錨固端必須進入穩(wěn)定巖層, 且對錨索進行張拉,以便充分發(fā)揮錨索的錨固作用。

多年來，大量學者對錨索的預(yù)應(yīng)力損失研究表明，在實際工程中，錨索在使用中往往伴隨著預(yù)應(yīng)力損失現(xiàn)象，且預(yù)應(yīng)力損失較為嚴重。周永江[1]、褚曉威[2]、阮志新[3]等對錨索預(yù)應(yīng)力損失機理進行了相關(guān)研究，其中周永江在具體分析影響預(yù)應(yīng)力損失的各種因素的基礎(chǔ)上，給出具體計算方法，主要包括松弛模型,圍巖體流變模型，灌漿材料采用蠕變模型等計算模型；褚曉威、阮志新對預(yù)應(yīng)力錨索支護的核心參數(shù)(減摩方式、螺紋參數(shù)、構(gòu)件匹配及現(xiàn)場施工因素等)進行損失機理分析，提出了預(yù)應(yīng)力損失的控制措施。李建林[4]、張金龍[5]等在卸荷條件下研究了預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)應(yīng)力損失的影響因素，其中李建林通過卸荷巖體錨固預(yù)應(yīng)力變化的巖體應(yīng)力狀態(tài)、巖體性質(zhì)與流變、錨固時間、鋼材松弛、施工質(zhì)量、錨索結(jié)構(gòu)與環(huán)境變化等因素討論了預(yù)應(yīng)力損失，得出不同因素對卸荷巖體錨固預(yù)應(yīng)力損失的影響效應(yīng)和因素與預(yù)應(yīng)力損失的耦合作用；張金飛根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索施工過程，將錨索預(yù)應(yīng)力損失分為張拉損失、鎖定損失和隨時間的損失，通過分析得到錨索現(xiàn)存荷載基本滿足加固設(shè)計要求。任麗芳[6]、汪劍輝[7]、申慶成[8]等在邊坡加固及治理工程中對預(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)應(yīng)力損失進行了研究，其中任麗芳、汪劍輝對邊坡的加固機理進行探討，得到預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡的機理、錨索預(yù)應(yīng)力損失的影響因素以及錨索預(yù)應(yīng)力的變化規(guī)律并在此基礎(chǔ)上提出應(yīng)力補償?shù)拇胧?。同時結(jié)合具體工程,對錨索預(yù)應(yīng)力損失情況進行總結(jié)分析，在土木工程領(lǐng)域中的地下洞室、高邊坡、大壩壩基、橋墩等重大工程的穩(wěn)定性加固中,為預(yù)應(yīng)力錨索或錨索的預(yù)應(yīng)力損失提供有效的預(yù)防措施。黃璐[9]、席光勇[10]、陳賓杰[11]等基于高速公路邊坡工程以及預(yù)應(yīng)力錨索的施工過程進行預(yù)應(yīng)力損失的探討，主要包括預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡的機理、設(shè)計和施工管理人員對預(yù)應(yīng)力錨索的數(shù)理統(tǒng)計，以此來分析影響因素，提出預(yù)防措施。溫彥良[12]、韓光[13]、周德培[14]、蘇學貴[15]、田密[16]等通過數(shù)值仿真試驗、工程測試、張拉工藝、理論及錨索試驗等幾方面來分析預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)應(yīng)力損失的原因，分析綜合考慮因素，得到錨索預(yù)應(yīng)力的變化經(jīng)過下降、回升和穩(wěn)定3個階段，其影響因素主要包括外錨頭附近巖體的徐變、錨索材料鋼絞絲的松弛、錨固對象巖土體的變形、 地層蠕變、 混凝土收縮與蠕變、 荷載設(shè)計不當、 爆破與地震作用以及張拉工藝等，同時提出補救措施，為錨固技術(shù)的應(yīng)用提供科學依據(jù)。除此之外，宋修廣[17]、潘文成[18]、杜斌[19]、余開彪[20]等對錨索在特殊情況下的預(yù)應(yīng)力損失作了研究。其中，宋修廣結(jié)合實際軟巖邊坡工程, 比較分析施工期和雨季中大量的監(jiān)測數(shù)據(jù), 詳細探討邊坡在最不利時期中影響預(yù)應(yīng)力變化的主要因素及變化特點，包括錨索材料、施工影響及外部因素等；潘文成運用灰色理論模型對錨索樁板墻鎖定后前期預(yù)應(yīng)力變化及后期預(yù)應(yīng)力損失進行了趨勢性分析預(yù)測；杜斌通過抗滑樁的試驗進行了預(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)應(yīng)力損失研究，研究表明采用間隔式開挖方法比采用常規(guī)的順序開挖方法產(chǎn)生更小的塑性區(qū)面積和圍巖變形,支護結(jié)構(gòu)安全系數(shù)相對較高，可以減少錨索的預(yù)應(yīng)力損失；余開彪通過對襄一十高速公路錨索預(yù)應(yīng)力模擬計算,得到預(yù)應(yīng)力錨索損失模型，可以很好地對預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)應(yīng)力損失進行預(yù)測。

錨索預(yù)應(yīng)力損失的影響因素有很多方面，本文結(jié)合貴陽某實際工程的預(yù)應(yīng)力錨索監(jiān)測項目，根據(jù)錨索應(yīng)力的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)應(yīng)力損失的分析。同時，結(jié)合已有的研究成果，對預(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)應(yīng)力損失影響因素進行論述，提出預(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)應(yīng)力損失影響因素，為實際工程中預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計、施工以及加固等提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

1 工程實例

1.1 工程概況

該工程位于貴陽市，總用地面積10 802 m2，建筑占地面積7 179.9 m2。長軸沿北東方向，建筑平面特征為不規(guī)則，長112.880 m，寬80.750 m，擬建物設(shè)計高程(±0.00)為1 077.53 m；設(shè)4層地下室，地下室底板高程為1 057.93 m。該項目層數(shù)為-4+3+29F，框支-剪力墻結(jié)構(gòu)，擬采用柱基，設(shè)計軸力最大荷載為30 000 kN。根據(jù)場地周邊現(xiàn)狀地面標高及地下室底板設(shè)計標高，基坑開挖后形成高12.5～23.0 m左右的基坑邊坡，邊坡形狀不規(guī)則，各側(cè)長度8.0～125 m不等，邊坡周長約374.198 m，為臨時性邊坡，見圖1。

場地北側(cè)為貴陽市重要干道，地下室邊線與人行道的距離為3.0～4.8 m；東側(cè)和南側(cè)分布的建筑物較多，東側(cè)為多層建筑物，其地面邊線與地下室邊線距離為2.0～5.0 m，南側(cè)為兩棟多層及一棟高層建筑物，其地面邊線與地下室邊線距離為15.36～36.0 m；西側(cè)為一條街道和一棟多層建筑，距離基坑較近，其地面邊線與地下室邊線距離為1.0～16.0 m；基坑周邊的環(huán)境條件復(fù)雜，基坑深度均大于12 m，場地的地下水位較高。根據(jù)基坑邊坡工程施工圖設(shè)計可知，基坑邊坡安全等級為一級。

圖1 項目基坑邊坡平面

1.2 錨索預(yù)應(yīng)力的現(xiàn)場測試情況

該工程項目由于地形和規(guī)劃的需要,在基坑周圍已經(jīng)形成超高邊坡，采用預(yù)應(yīng)力錨索的整治方案,是較為典型的基坑高邊坡工程。為確保該邊坡整治工程的安全施工及正常運行及為了監(jiān)測預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)應(yīng)力的作用效果,本文的研究依據(jù)基于本工程的預(yù)應(yīng)力錨索實體，選取5根具有代表性的預(yù)應(yīng)力錨索作為監(jiān)測對象, 分別對其安裝預(yù)應(yīng)力錨索計進行實時監(jiān)測。被監(jiān)測錨索的基本參數(shù)見表1。

表1 錨索基本參數(shù)

2 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過對上述5根錨索的監(jiān)測，本文將變化規(guī)律相同的錨索作為對比分析，具體分組為：組合1：15053號錨索和15054號錨索；組合2：15058號錨索和120208號錨索；組合3：15055號錨索。利用監(jiān)測數(shù)據(jù)得到錨索的錨索張力隨時間的變化情況，具體見圖2、圖3、圖4。對現(xiàn)場監(jiān)測的數(shù)據(jù)及現(xiàn)場的觀察結(jié)果進行分析，得到以下結(jié)論。

圖2 15053，15054號錨索預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律

預(yù)應(yīng)力錨索張拉后 20天內(nèi),通過圖2、圖3及圖4可以看出，預(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)應(yīng)力損失值變化趨勢較為明顯的，尤其是在張拉后的一周時間內(nèi)是變化最顯著的，隨著時間的推移，錨索的預(yù)應(yīng)力損失趨于穩(wěn)定，預(yù)應(yīng)力損失較小。由此可以看出，錨索預(yù)應(yīng)力損失在張拉初期大,后期基本維持在一個相對穩(wěn)定的范圍之內(nèi)。這與康紅普等[21]的研究結(jié)論是一致的，即在錨索張拉鎖定后,不要急于處理剩余的張拉段的鋼絞線，待錨索的預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定后再進行處理，這樣可以保證錨索的應(yīng)力滿足設(shè)計要求。

圖3 15058，120208號錨索預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律

圖4 15055號錨索預(yù)應(yīng)力變化規(guī)律

由圖3可知，隨著監(jiān)測時間的增加，對于組合2：15058號錨索和120208號錨索而言，錨索預(yù)應(yīng)力損失值并非固定為一個恒定值，還與錨索的工作環(huán)境有關(guān)系，即錨索預(yù)應(yīng)力損失還與工作環(huán)境的溫度、季節(jié)以及氣候變化(與張宏博等[22]的描述一致)等因素有關(guān)，存在“上下波動”現(xiàn)象，這與文獻[19]、文獻[23]、文獻[24]的結(jié)論相似。

由圖4可知，組合3：15055號錨索的預(yù)應(yīng)力損壞隨時間變化在15～19天的范圍變化斜率最大，出現(xiàn)了拐點，這說明該錨索在此階段的預(yù)應(yīng)力損失是最大的。這與施工期間的降雨有關(guān)，根據(jù)監(jiān)測報告知，當時存在降雨，影響了錨索預(yù)應(yīng)力的損失幅度。據(jù)此可以說明，降雨量及降雨歷時對錨索預(yù)應(yīng)力有較為顯著的影響，主要反映在強度較低，同時對滲透系數(shù)較大的基坑及邊坡有較大的影響。進一步分析顯示，降雨入滲對錨索預(yù)應(yīng)力的影響過程可劃分為3個階 段(見圖2中15054號錨索的變化規(guī)律)，第1階段是錨索預(yù)應(yīng)力減小階段；第2階段是錨索預(yù)應(yīng)力增加期；第3階段是錨索預(yù)應(yīng)力損失階段。

3 預(yù)應(yīng)力損失的影響因素

3.1 錨索張拉與鎖定的影響

張拉過程的預(yù)應(yīng)力損失主要由預(yù)應(yīng)力錨固過程中水分入滲對錨索預(yù)應(yīng)力的影響與鉆孔孔壁的摩擦和張拉千斤頂?shù)哪ψ枇餐瑳Q定；鎖定過程的預(yù)應(yīng)力損失主要由錨索張拉程序完成后,在卸荷時，主要利用錨具夾片和錨墊板間相互作用來鎖定預(yù)應(yīng)力,所以鋼絞線會產(chǎn)生一定的收縮,這一收縮量的大小決定了錨索預(yù)應(yīng)力損失的大小。

3.2 巖土體力學性質(zhì)和蠕變對錨索預(yù)應(yīng)力的影響

巖土體蠕變是錨索預(yù)應(yīng)力損失的主要來源，巖土體結(jié)構(gòu)質(zhì)量越好，節(jié)理裂隙越少，巖土體的變形越小，蠕變也越小，持續(xù)的時間也短。彈性、塑性和黏性是巖土體的3種基本性質(zhì)，巖土體的復(fù)雜力學性質(zhì)往往是這3種特性的綜合反映。工程實踐證明，在一定受力狀態(tài)和賦存條件下，巖土體可表現(xiàn)出明顯的流變特征[25]并對其力學產(chǎn)生顯著的影響。巖體蠕變是錨索預(yù)應(yīng)力[26]損失的主要來源。蠕變引起的預(yù)應(yīng)力損失與巖體的軟硬及密實，程度有關(guān)，巖石越堅硬，結(jié)構(gòu)面分布少，由結(jié)構(gòu)面引起的蠕變小，預(yù)應(yīng)力損失值也就小; 對松散破碎巖石或軟弱巖石，由于預(yù)應(yīng)力壓縮巖體產(chǎn)生變形較大，而且變形速度比較緩慢，相應(yīng)的因巖體蠕變而引起的預(yù)應(yīng)力損失值較大[27]。

3.3 錨索施工的影響

施工工藝對錨索預(yù)應(yīng)力損失的影響主要體現(xiàn)在兩個方面，即預(yù)應(yīng)力錨索張拉、補償張拉等錨索自身的施工工藝和基坑、高邊坡等坡體的施工工藝的影響。如補償張拉應(yīng)經(jīng)過一定的損失期后才能進行，同時才對保存錨固噸位有利；在深基坑及高邊坡等開挖錨固過程中，錨索會受施工爆破等沖擊荷載的作用。

3.4 錨索工作環(huán)境的影響

錨索工作環(huán)境的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 錨索施工完成后，隨著當?shù)氐臍夂?、溫度以及季?jié)變化等環(huán)境因素。

2) 錨索的錨固段工作環(huán)境的巖土體含水量等因素。

3) 錨索在巖土體工作時，滲透系數(shù)、孔隙率以及節(jié)理面、軟弱結(jié)構(gòu)面等因素的綜合影響。

3.5 其他因素的影響

除此之外，影響錨索預(yù)應(yīng)力損失的因素還包括地下水位的影響；重型機械設(shè)備作用、地震等地運動作用、突發(fā)性暴雨以及罕見的凝凍氣候的影響。由于這些因素的影響主要體現(xiàn)了突發(fā)性和不可預(yù)見性，因此在工程的設(shè)計階段、施工階段和使用階段要做好相應(yīng)的預(yù)防工作。

4 減少預(yù)應(yīng)力損失措施的建議

4.1 錨索材料的選擇

在錨索材料選擇方面，應(yīng)該注重以下方面的內(nèi)容：

1) 優(yōu)先選用高強度、低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線制作錨索的錨固體系，并采用與鋼絞線配套的高性能錨具來組合。

2) 采用的托板、鋼帶與鋼梁及金屬網(wǎng)等護表構(gòu)件的性能應(yīng)與之匹配。

3) 外錨固端也應(yīng)堅實可靠，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致發(fā)生巖體徐變過大從而增加應(yīng)力損失。

4) 研究表明[28]，錨索預(yù)緊轉(zhuǎn)矩相同時，加工精度高的螺紋轉(zhuǎn)化的預(yù)應(yīng)力要高于加工精度低的螺紋；相同預(yù)緊轉(zhuǎn)矩下，螺紋牙形角越小，轉(zhuǎn)化預(yù)應(yīng)力越大，轉(zhuǎn)化率由高到低依次為矩形螺紋、三角形螺紋和鋸齒形螺紋；螺紋直徑相同時(尤其對于M22及M24)，減小螺距能顯著提高預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)化率，而且能提高螺紋的破斷強度，以達到減少預(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)應(yīng)力損失。

4.2 錨固段的選擇

錨索錨固段巖土體的選擇方面，應(yīng)該注重以下方面的內(nèi)容：

1) 錨固段的選取必須以現(xiàn)場巖土工程勘察資料作為依據(jù)來確定,宜選擇堅硬完整的巖土體,增加錨固端的穩(wěn)定性，減少巖土體的蠕變。

2) 對于松軟較為破碎巖土體，在施工時，應(yīng)增加托板、組合構(gòu)件及護網(wǎng)的面積、強度與剛度，減少由于圍巖蠕變引起的錨索預(yù)應(yīng)力損失。

3) 應(yīng)對錨固端段所在的巖土體作試驗分析，分析其物理力學性質(zhì)是否良好，視具體情況來分別采取相應(yīng)的補救措施。

4) 對過于松散破碎或含水量較大的基坑、滑坡體，應(yīng)該盡量避免使用預(yù)應(yīng)力錨索體系，避免發(fā)生整體滑移情況。

4.3 施工措施

在施工方面應(yīng)該注意以下幾個問題：

1) 錨索張拉時，應(yīng)該合理選擇適宜的時間對錨索張拉或補償張拉，安裝時首先進行超張拉，持荷一段時間后再進行二次張拉，改善張拉效果。

2) 在封孔灌漿時，應(yīng)該加強灌漿對鋼絞線進行保護，以減少錨索永久錨固力的損失[29]。

3) 由于錨索預(yù)應(yīng)力與張拉力成正比,則張拉力越大,預(yù)應(yīng)力損失相對越大,設(shè)計時盡量避免采用大噸位張拉,應(yīng)該以“多孔位、小噸位”張拉方式為宜。

4) 在錨索施工時，主要采用整索分級張拉的程序，通常按設(shè)計永久錨固力的一定比例，分級進行張拉。在錨索張拉過程中，采用多級張拉方式可以使錨索體各鋼絞線受力進行充分調(diào)整，其鎖定損失要小一些[30]。

5) 當一個結(jié)構(gòu)物上設(shè)置多個錨索時,張拉時最好使用多臺千斤頂同時張拉,如果沒有條件則必須進行循回補張拉,結(jié)構(gòu)物對稱時,最好采取對稱循環(huán)補張拉,以此最大限度地消除因張拉順序引起的預(yù)應(yīng)力損失。

4.4 工作環(huán)境的預(yù)防處理

錨索的工作環(huán)境方面，在錨索的錨固體中，應(yīng)該控制巖土體的溫度、含水量等物理因素的含量，主要預(yù)防錨索的耐久性，主要注意以下幾方面[3]：

1) 錨索的耐腐蝕保護。錨索長期處于潮濕或者腐蝕介質(zhì)環(huán)境中，在高錨固力運行工作狀態(tài)下，非常容易因腐蝕而發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，保護不當會導(dǎo)致腐蝕斷裂等現(xiàn)象的發(fā)生。

2) 對錨索疲勞強度的設(shè)計，應(yīng)根據(jù)當?shù)氐臍夂?、地質(zhì)等因素，對錨索工作年限內(nèi)的錨固力的變化給予充分考慮，采用最佳疲勞強度的設(shè)計。

3) 為保證錨索的耐久性，可采用石油磺酸鋇、石油磺酸鈉等精致礦物油，加入添加劑后作為錨索專用防腐劑，嚴格按照標準規(guī)范進行鹽霧、濕熱、腐蝕、高低溫性能試驗等環(huán)境試驗。

4.5 特殊因素的處理

在其他因素的影響方面，注意要考慮突發(fā)情況的影響。在錨索施工場地,盡量避免爆破和重型機械設(shè)備的使用,在不得不使用的情況下,盡量使其遠離錨索施工地點,或者將預(yù)應(yīng)力錨索張拉鎖定工作安排在最后的工序，避免對錨索預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生較大的影響。在施工期, 錨索受沖擊荷載影響較大。錨固巖土體中發(fā)生的沖擊力會引起應(yīng)力損失, 沖擊荷載對預(yù)應(yīng)力的影響主要反映在兩個方面：一是在軟巖體中, 錨根因爆破而松動, 預(yù)應(yīng)力損失；二是錨根無松動, 預(yù)應(yīng)力增加。因此，在錨索的施工過程中，應(yīng)該嚴格控制錨索受到?jīng)_擊荷載的作用。

5 結(jié) 語

綜上所述，對于預(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)應(yīng)力損失，其影響因素復(fù)雜多樣，主要包括鋼索張拉與鎖定的影響、錨固體的力學性質(zhì)和蠕變對錨索預(yù)應(yīng)力的影響、錨索施工的影響以及錨索工作環(huán)境的影響等因素。因此，在實際工程中，我們應(yīng)該嚴格控制主要因素的影響，為減少錨索預(yù)應(yīng)力損失，進一步將錨索預(yù)應(yīng)力體系達到最優(yōu)的設(shè)計、施工及使用效果。通過實例分析，給出了減少預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)應(yīng)力損失的建議，對相應(yīng)的實際工程提供一定的參考依據(jù)，同時為預(yù)應(yīng)力錨索在工程中的應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。